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量子科技公開課（簡體書）
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2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。習近平總書記在主持學習時強調，當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創新是其中一個關鍵變量。我們要於危機中育先機、於變局中開新局，必須向科技創新要答案。要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。
本書以通俗易懂的語言介紹了量子科技的各個重要側面，章節的編排由淺入深，包括對量子物理的歷史和關鍵人物的介紹、當今量子科技的熱門話題等。核心內容是講述突破經典物理的量子性質及其應用：基於量子相干和糾纏特性的精密測量或傳感，量子通信和量子計算。此外，還較為深入地討論了量子超越性實驗的未定論部分，以期激發讀者進一步瞭解量子物理和量子科技的興趣。適合對量子物理和相關新興科技的前沿發展有興趣並稍有數學和物理學基礎的領導幹部和普通讀者。
本書以通俗易懂的語言介紹了量子科技的各個重要側面，章節的編排由淺入深，包括對量子物理的歷史和關鍵人物的介紹、當今量子科技的熱門話題等。核心內容是講述突破經典物理的量子性質及其應用：基於量子相干和糾纏特性的精密測量或傳感，量子通信和量子計算。此外，還較為深入地討論了量子超越性實驗的未定論部分，以期激發讀者進一步瞭解量子物理和量子科技的興趣。適合對量子物理和相關新興科技的前沿發展有興趣並稍有數學和物理學基礎的領導幹部和普通讀者。
作者簡介
審定者:
葉朝輝，1942年生，物理學家，中國科學院院士，中國共產黨第十五、十六屆全國代表大會代表。1965年畢業於北京大學無線電電子學系。從1986年起任中國科學院武漢物理與數學所（現為中國科學院精密測量科學與技術創新研究院）研究員、博士生導師，2019年3月退休。曾任該所副所長（1984—1987），所長（1987—1999），波譜與原子分子物理國家重點實驗室主任（1986—1993），中國科學院武漢分院院長（1999—2007），武漢磁共振中心主任（2008—2016）。從1999年起兼任華中科技大學教授、博士生導師、理學院院長（2000—2004），武漢光電國家實驗室（籌）主任（2004—2017）；曾任國家重點基礎研究計劃（973計劃）專家顧問組成員、科技部重大科學研究計劃“量子調控研究”專家組成員等。中國科學院“基於原子的精密測量物理”先導專項（B）（2016—2021）首席科學家。主要從事波譜學與量子電子學的研究，為發展我國光抽運銣原子頻標做出過重要貢獻。在磁共振波譜學的理論和實驗方面做過系列探索，近年來致力於磁共振與生命科學的交叉研究。
撰稿人：
蔡恒進，武漢大學計算機學院管理科學與工程以及軟件工程教授、博導，中國通信工業協會區塊鏈專業委員會（CCIAPCB）副主任委員，亞洲區塊鏈學會榮譽顧問，卓爾智聯研究院執行院長。美國阿拉斯加大學費爾班克斯分校空間物理博士。
施磊，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院副總設計師，中國科學技術大學理學學士、碩士，中國科學院武漢物理與數學研究所理學博士。曾獲湖北省自然科學一等獎1項、全軍科技進步二等獎1項。九三學社中央科普專委會委員，湖北省物理學會常務理事。?
馮芒，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院二級研究員，教授、博導。曾在多個歐洲國家的研究所和國立大學做客座科學家和研究學者，其中在意大利和愛爾蘭的工作是得到歐盟委員會的經費資助，參與歐洲量子計算的研究項目。榮獲中國科學院“領雁銀獎”。?
姚雍，美國紐約量子計算協會資深會員，美國天普大學計算機系博士。學術研究包括量子計算，可計算性和計算復雜性理論、自動證明、人工智能、深度學習和生物信息等。後來轉入美國投行工作。
葉朝輝，1942年生，物理學家，中國科學院院士，中國共產黨第十五、十六屆全國代表大會代表。1965年畢業於北京大學無線電電子學系。從1986年起任中國科學院武漢物理與數學所（現為中國科學院精密測量科學與技術創新研究院）研究員、博士生導師，2019年3月退休。曾任該所副所長（1984—1987），所長（1987—1999），波譜與原子分子物理國家重點實驗室主任（1986—1993），中國科學院武漢分院院長（1999—2007），武漢磁共振中心主任（2008—2016）。從1999年起兼任華中科技大學教授、博士生導師、理學院院長（2000—2004），武漢光電國家實驗室（籌）主任（2004—2017）；曾任國家重點基礎研究計劃（973計劃）專家顧問組成員、科技部重大科學研究計劃“量子調控研究”專家組成員等。中國科學院“基於原子的精密測量物理”先導專項（B）（2016—2021）首席科學家。主要從事波譜學與量子電子學的研究，為發展我國光抽運銣原子頻標做出過重要貢獻。在磁共振波譜學的理論和實驗方面做過系列探索，近年來致力於磁共振與生命科學的交叉研究。
撰稿人：
蔡恒進，武漢大學計算機學院管理科學與工程以及軟件工程教授、博導，中國通信工業協會區塊鏈專業委員會（CCIAPCB）副主任委員，亞洲區塊鏈學會榮譽顧問，卓爾智聯研究院執行院長。美國阿拉斯加大學費爾班克斯分校空間物理博士。
施磊，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院副總設計師，中國科學技術大學理學學士、碩士，中國科學院武漢物理與數學研究所理學博士。曾獲湖北省自然科學一等獎1項、全軍科技進步二等獎1項。九三學社中央科普專委會委員，湖北省物理學會常務理事。?
馮芒，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院二級研究員，教授、博導。曾在多個歐洲國家的研究所和國立大學做客座科學家和研究學者，其中在意大利和愛爾蘭的工作是得到歐盟委員會的經費資助，參與歐洲量子計算的研究項目。榮獲中國科學院“領雁銀獎”。?
姚雍，美國紐約量子計算協會資深會員，美國天普大學計算機系博士。學術研究包括量子計算，可計算性和計算復雜性理論、自動證明、人工智能、深度學習和生物信息等。後來轉入美國投行工作。
目次
前 言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1
第一部分 歷史的回響
第一講 動魄驚心——量子力學哪裡難懂．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
“量子力學量力學”“遇事不決，量子力學”式的調侃讓普羅大眾對“量子”自動加上了魔幻濾鏡。非物理專業的人士應該如何切入這個話題才不至於云裡霧裡？愛因斯坦稱作“鬼魅”的現象到底是什麼？我們能否為量子力學祛魅？
一、粒子的雙縫實驗 4
二、鬼魅的超距作用 8
三、悖論性在哪裡 11
四、量子技術不是納米技術 14
第二講 撥云見日——量子登上歷史舞臺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 17
新統一的德意志帝國雄心勃勃，決心在人工照明行業的國際競爭中獲得壓倒性優勢，導致了量子的誕生。普朗克為解決黑體輻射的理論與實驗結果的不相符的問題，提出了量子的概念；愛因斯坦提出光量子理論，完美地解釋了光電效應現象；玻爾的量子化原理結構理論成功解釋了原子的穩定性和氫原子的光譜結構；而德布羅意王子則進一步指出物質具有波和粒子的二相性。量子物理就此登上舞臺。
一、黑體輻射 19
二、愛因斯坦的光量子 27
三、玻爾的原子 32
四、德布羅意的波粒二相性 39
第三講 群星璀璨——物理學史上最靚群體．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 47
量子物理大廈建立的過程中，天才的小伙子們功勛卓著。泡利提出電子自旋的概念解釋了磁場中氫原子譜線的四重或多重分裂，海森堡和薛定諤相繼建立了矩陣量子力學和波動量子力學，波恩的概率波解釋意味著量子世界遵循的是概率論而不是決定論，狄拉克給出了一套數學形式優美的量子理論，並發現了不確定原理，至此，量子物理學的大廈——量子力學得以建立。
一、泡利和海森堡 48
二、薛定諤、狄拉克和波恩 57
三、後來的佼佼者 62
第二部分 探微的螺旋
第四講 分身千千萬——量子世界有何神奇．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 69
量子性質十分神奇，無論是疊加態還是糾纏態都徹底顛覆了我們在宏觀世界中習慣了的認知，也使我們對量子世界的觀察和操控充滿了不確定性。量子性質也非常脆弱，對一個量子態的制備、操控和觀察，每一步都是對人類知識和技術的挑戰。
一、量子態的疊加性 70
二、量子糾纏與EPR 佯謬 73
三、量子測量與測不準原理 77
四、脆弱的量子特性 79
第五講 私語萬裡遠——走向實用的量子信息技術．．．．．．．．．．．．． 83
量子通信的絕對安全性來源於糾纏態作為通信信道。但量子態無法在實驗室以外長時間保持，怎麼辦？當前廣為人知的量子通信網絡或技術並非基於糾纏態，而是基於單光子，這是怎麼做到的？
一、量子比特與量子邏輯門 84
二、由量子態的直接傳送到非直接傳送 87
三、量子密鑰分發與走向實用的量子通信 90
第六講 毫發分億兆——驅動科學進步的精密測量．．．．．．．．．．．．． 95
更好的測量手段能讓我們看到前人從未看到的地方。現代科學的誕生一直是和精密測量的藝術緊密聯系在一起。但精密測量的極限在哪裡？引入了量子元素的精密測量可能做到絕對精準無誤嗎？
一、基本物理量計量基準的量子化 96
二、精密測量的極限在哪裡 99
三、測量技術的未來——量子傳感 102
第七講 百秒頂億年——量子計算機的制造．．．．．．．．．．．．．．．．．． 105
量子計算機代表的是一項顛覆性的未來技術，不僅會改變長期統治人類計算方式的圖靈模式，而且會提升人類對量子世界的認知水平。研制量子計算機既是顯示一個國家高科技實力的科技問題，也是關係到一個國家信息安全的政治問題。
一、量子計算機簡史 106
二、量子算法為何有強大的功能 113
三、量子模擬——小型的量子計算 115
四、如何造出量子計算機 118
第三部分 未來的征戰
第八講 難易天塹——經典與量子計算復雜性．．．．．．．．．．．．．．．． 127
什麼是難，什麼是易？隨著人類智力活動探索的不斷發展，人們從數學上給出了什麼是計算以及難和易的嚴格的模型和定義。這就是可計算性和計算復雜性理論研究的內容。由此，大量的重要的理論和實際問題的難易刻畫被充分研究。這也部分揭示了人類智能之謎及其局限。
一、人類智力創造的輝煌 128
二、圖靈機——什麼是計算 135
三、量子計算——新的天地 145
四、難和易——人類智能的界限 154
第九講 “量子霸權”——量子計算機能否碾壓一切．．．．．．．． 157
理論上，目前還沒有能夠證明量子計算機比經典計算機快（指數倍）。同時適用規模的量子計算機目前還難以實現。人們退而求其次，先設計實驗演示量子超越性。目前所做的量子超越性實驗的結論理論界還在進一步討論中。量子計算的超越性究竟是唾手可得還是水中月？
一、名稱之爭——量子霸權還是量子超越性 158
二、量子超越性提出的背景 159
三、量子超越性實驗 162
四、唾手可得還是水中月 174
後記．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 177
第一部分 歷史的回響
第一講 動魄驚心——量子力學哪裡難懂．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
“量子力學量力學”“遇事不決，量子力學”式的調侃讓普羅大眾對“量子”自動加上了魔幻濾鏡。非物理專業的人士應該如何切入這個話題才不至於云裡霧裡？愛因斯坦稱作“鬼魅”的現象到底是什麼？我們能否為量子力學祛魅？
一、粒子的雙縫實驗 4
二、鬼魅的超距作用 8
三、悖論性在哪裡 11
四、量子技術不是納米技術 14
第二講 撥云見日——量子登上歷史舞臺．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 17
新統一的德意志帝國雄心勃勃，決心在人工照明行業的國際競爭中獲得壓倒性優勢，導致了量子的誕生。普朗克為解決黑體輻射的理論與實驗結果的不相符的問題，提出了量子的概念；愛因斯坦提出光量子理論，完美地解釋了光電效應現象；玻爾的量子化原理結構理論成功解釋了原子的穩定性和氫原子的光譜結構；而德布羅意王子則進一步指出物質具有波和粒子的二相性。量子物理就此登上舞臺。
一、黑體輻射 19
二、愛因斯坦的光量子 27
三、玻爾的原子 32
四、德布羅意的波粒二相性 39
第三講 群星璀璨——物理學史上最靚群體．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 47
量子物理大廈建立的過程中，天才的小伙子們功勛卓著。泡利提出電子自旋的概念解釋了磁場中氫原子譜線的四重或多重分裂，海森堡和薛定諤相繼建立了矩陣量子力學和波動量子力學，波恩的概率波解釋意味著量子世界遵循的是概率論而不是決定論，狄拉克給出了一套數學形式優美的量子理論，並發現了不確定原理，至此，量子物理學的大廈——量子力學得以建立。
一、泡利和海森堡 48
二、薛定諤、狄拉克和波恩 57
三、後來的佼佼者 62
第二部分 探微的螺旋
第四講 分身千千萬——量子世界有何神奇．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 69
量子性質十分神奇，無論是疊加態還是糾纏態都徹底顛覆了我們在宏觀世界中習慣了的認知，也使我們對量子世界的觀察和操控充滿了不確定性。量子性質也非常脆弱，對一個量子態的制備、操控和觀察，每一步都是對人類知識和技術的挑戰。
一、量子態的疊加性 70
二、量子糾纏與EPR 佯謬 73
三、量子測量與測不準原理 77
四、脆弱的量子特性 79
第五講 私語萬裡遠——走向實用的量子信息技術．．．．．．．．．．．．． 83
量子通信的絕對安全性來源於糾纏態作為通信信道。但量子態無法在實驗室以外長時間保持，怎麼辦？當前廣為人知的量子通信網絡或技術並非基於糾纏態，而是基於單光子，這是怎麼做到的？
一、量子比特與量子邏輯門 84
二、由量子態的直接傳送到非直接傳送 87
三、量子密鑰分發與走向實用的量子通信 90
第六講 毫發分億兆——驅動科學進步的精密測量．．．．．．．．．．．．． 95
更好的測量手段能讓我們看到前人從未看到的地方。現代科學的誕生一直是和精密測量的藝術緊密聯系在一起。但精密測量的極限在哪裡？引入了量子元素的精密測量可能做到絕對精準無誤嗎？
一、基本物理量計量基準的量子化 96
二、精密測量的極限在哪裡 99
三、測量技術的未來——量子傳感 102
第七講 百秒頂億年——量子計算機的制造．．．．．．．．．．．．．．．．．． 105
量子計算機代表的是一項顛覆性的未來技術，不僅會改變長期統治人類計算方式的圖靈模式，而且會提升人類對量子世界的認知水平。研制量子計算機既是顯示一個國家高科技實力的科技問題，也是關係到一個國家信息安全的政治問題。
一、量子計算機簡史 106
二、量子算法為何有強大的功能 113
三、量子模擬——小型的量子計算 115
四、如何造出量子計算機 118
第三部分 未來的征戰
第八講 難易天塹——經典與量子計算復雜性．．．．．．．．．．．．．．．． 127
什麼是難，什麼是易？隨著人類智力活動探索的不斷發展，人們從數學上給出了什麼是計算以及難和易的嚴格的模型和定義。這就是可計算性和計算復雜性理論研究的內容。由此，大量的重要的理論和實際問題的難易刻畫被充分研究。這也部分揭示了人類智能之謎及其局限。
一、人類智力創造的輝煌 128
二、圖靈機——什麼是計算 135
三、量子計算——新的天地 145
四、難和易——人類智能的界限 154
第九講 “量子霸權”——量子計算機能否碾壓一切．．．．．．．． 157
理論上，目前還沒有能夠證明量子計算機比經典計算機快（指數倍）。同時適用規模的量子計算機目前還難以實現。人們退而求其次，先設計實驗演示量子超越性。目前所做的量子超越性實驗的結論理論界還在進一步討論中。量子計算的超越性究竟是唾手可得還是水中月？
一、名稱之爭——量子霸權還是量子超越性 158
二、量子超越性提出的背景 159
三、量子超越性實驗 162
四、唾手可得還是水中月 174
後記．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 177
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